某海洋導管架平臺受損構件剩余強度優化

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(1.武漢理工大學 交通學院,武漢 430063； 2.深圳市潤渤船舶與石油技術服務有限公司,廣東 深圳 518067)

鋼質導管架平臺在復雜的海洋環境中工作，除了受到正常的工作荷載外，還要受到海風、波浪、海流和海冰等環境荷載的作用[1]。同時還可能發生意外事故，如供應船與平臺結構的碰撞，平臺上部模塊落下的重物等。碰撞經常使平臺結構構件發生整體彎曲和局部凹陷變形，承載能力降低，影響構件的安全，由于海上受損構件的修理比較困難，而且費用較高，對海洋平臺結構受損構件剩余強度進行評估，是提出合理可行的修理加固方案的前提條件。在研究海洋導管架平臺結構碰撞文獻中，大多是從動力學和準靜態角度研究平臺碰撞過程。本文主要從工程意義角度出發，以某海洋導管架平臺在安裝時某構件受損為例，對受損構件進行剩余強度評估，并采用有限元方法研究受損構件的截面縮減公式。

1 受損平臺概述

該平臺是一座4腿12裙樁深水導管架鋼質平臺，設計水深為101 m。在導管架平臺完成組塊吊裝后，對導管架水下桿件進行檢查時，發現該導管架EL(-)32 m水平層一根構件發生局部凹陷變形。該損傷降低了導管架的安全系數，需根據實際情況對損傷情況進行評估，為平臺結構進行整體分析和提出合理修復方案提供依據。

2 桿件損傷情況描述

受損構件的位置位于導管架EL(-)32 m水平層，是一根直徑914 mm，壁原19 mm的水平圓管，長度18.3 m(見圖1)。其材料的屈服強度415 MPa。局部凹陷變形的深度150 mm，寬度400 mm，長度1 200 mm，位于構件中部。

圖1 EL(-)32.00 m水平層結構布置

3 受損構件剩余強度評估

為評估受損構件剩余強度以及對平臺整體強度的影響，采用原詳細設計的SACS模型和載荷條件等，對平臺結構進行彈性范圍內的靜力分析。根據桿件的受損情況，強度評估的假設條件如下。①受損構件與其它相鄰桿件連接焊縫完好；②受損構件變形部分不考慮產生裂紋；③受損構件的整體變形按75 mm考慮。

3.1 受損構件截面縮減

API RP 2A中[2]沒有對受損構件截面折算的推薦做法，目前導管架平臺整體分析的SACS軟件引用了EN ISO 19902[3]等做法來評估受損桿件。ISO和大量支持文獻對截面的凹陷程度要求為h≤0.3D且h≤10t。此受損桿件的h/t=7.9<10，在ISO推薦公式的范圍內。受損構件截面積縮減公式如下。

Ad=ξcA

(1)

Id=ξmIo

(2)

ξc=e-0.08h/t

(3)

ξm=e-0.06h/t

(4)

式中：h——凹陷的最大深度；

t——圓管壁厚；

Ad——受損截面的有效面積；

A——未受損截面面積；

ξc——截面面積縮減系數；

Id——受損截面有效慣性矩；

Io——未受損截面慣性矩；

ξm——慣性矩縮減系數。

按照上述公式對凹陷截面積和慣性矩進行折算。受損截面有效面積Ad=283.9 cm2；受損截面有效慣性矩Id=333 072.1 cm4。

3.2 評估結果及分析

在導管架平臺SACS模型中輸入修正后受損構件的截面特性(見圖2)和屈服強度進行平臺整體強度核算，核算采用的載荷與詳細設計一致。

圖2 受損導管架平臺SACS實體模型

1)未受損時，在極端情況下(即百年一遇工況)，按415 MPa校核，該桿件應力比為0.33；承受的最大軸向力為3 948.7 kN。

2)受損后，按415 MPa屈服強度校核，極端情況下最大應力比值為0.51。承受的最大軸向力為3 891.8 kN。

由上述結果可知，該構件受損后最大應力比值增大了0.18，軸向承載力降低了56.9 kN。該構件受損后的最大應力比值小于1.0，仍滿足API規范要求。整個平臺強度仍能滿足作業要求，但需要對受損構件進行修復。

4 有限元方法求截面縮減公式

4.1 有限元模型

受損構件是長度為18 300 mm的圓管，其直徑914 mm、壁厚19 mm。用板單元對圓管進行模擬，采用大量四邊形單元，過渡處采用少量三角形單元。網格劃分時，圓管環向劃分為28等分，縱向為100 mm等分。將凹陷變形簡化為橢圓進行模型，凹陷位置假定在圓管中部。凹陷變形處單元細化為30 mm×30 mm的四邊形單元。圖3所示為凹陷深度為150 mm時有限元模型。建立一組不同凹陷深度的圓管模型，凹陷深度分別取為0、30、60、90、120、150、180 mm。

圖3 凹陷深度為150 mm的圓管有限元模型與載荷

4.2 載荷及邊界條件

從SACS結果文件中，提取出該構件應力比值最大時兩端節點的位移值，作為強迫位移通過MPC(多點約束)加載到圓管有限元模型的兩端。

4.3 分析結果

(5)

(6)

圖4 截面面積縮減曲線回歸與修正

凹陷深度/(h·mm-1)截面面積縮減系數縮減后截面面積/mm2折算后內徑/mm折算后慣性矩I/cm4ξdm=Ii/I101.00 53 395.7 876.0 534 882.1 1.00 30 0.8746 689.5 880.9 470 196.6 0.88 60 0.76 40 825.5 885.1 413 048.4 0.77 90 0.67 35 698.0 888.8 362 629.0 0.68 120 0.58 312 14.6 892.0 318 198.9 0.59 150 0.51 27 294.2 894.8 279 086.7 0.52 180 0.4523 866.2 897.2244 686.2 0.46

圖5 截面慣性矩縮減曲線

將所得式(5)和(6)與ISO推薦式(3)和(4)分別比較可知(見圖4和圖5)，當h/t比值相同時，式(5)和(6)算得的系數比式(3)和(4)小。

4.4 受損構件再評估

將折算后截面數據輸入SACS模型中，計算得：按415 MPa屈服強度校核，極端情況下最大應力比值為0.51。承受最大軸向力為3 891.8 kN。

受損構件的應力比小于1.0，仍滿足API規范要求。

與ISO標準推薦公式計算結果很相近，應力比大0.01，軸向承載力降低了4.4 kN。

5 結論

1)按照ISO推薦公式對受損構件截面進行縮減，利用SACS軟件計算可知，按415 MPa屈服強度校核，極端情況下最大應力比值為0.51。承受的最大軸向力為3 891.8 kN。該構件剩余強度仍滿足API規范要求，不影響平臺作業，但需要對受損構件進行修復。

3)采用有限元計算得出的截面縮減公式對受損構件截面進行折算，按屈服強度415 MPa校核，該受損構件在極端情況下最大應力比值為0.51，承受的最大軸向力為3 891.8 kN。與結論1)結果相似。

本文從工程意義和靜力學角度出發，分析了某導管架平臺受損構件的剩余強度，未考慮受損構件發生碰撞時的動力響應過程及圓管的初始幾何缺陷和殘余應力。采用有限元軟件分析截面縮減公式時，將凹陷形狀簡化為橢圓形；只分析了凹陷深度的變化與截面縮減公式的關系，未對凹陷長度及寬度的變化與截面縮減的關系進行分析。

[1] 金偉良，龔順風，宋 劍.大型船舶碰撞引起的海洋導管架平臺結構損傷分析[J].海洋工程，2003，21(2):20-25.

[2] American Petroleum Institute. API recommended practice 2A-WSD(RP2A-WSD)[S].Twenty-First Edition,2000.

[3] American Petroleum and natural gas industries—Fixed steel offshore structures(BS EN ISO19902)[S].2007.